Caractérisation : microélectronique

L'originalité et la force des interventions de caractérisation Phyapp réside dans la disponibilité d'experts pour :

  • l'interprétation des résultats : causes physiques, artefacts...;
  • la validation de mises en œuvres spécifiques;
  • les préconisations d'améliorations;
  • ...

La présente page présente les capacités de Phyapp, en termes de caractérisation électrique en basses fréquences : du statique ("DC") à 100MHz. Elles sont essentiellement basées sur les ressources et les méthodes de caractérisation du laboratoire IMEP-LAHC : un site sur Grenoble / Minatec et un autre sur Chambéry / Technolac.

L'extension de la plage de fréquence, jusqu'à concurrence de 110GHz, se fait avec d'autres ressources et d'autres méthodes, mais toujours dans le même laboratoire (cf. Caractérisation en RF/hyperfréquences).

Une autre spécialité du laboratoire IMEP-LAHC est l'étude des composants en très basse température : caractérisation électrique et de bruit (cf. Caractérisation en microélectronique cryogénique).

Dans les laboratoires voisins, d'autres ressources sont disponibles pour des caractérisations sous contraintes climatiques, de pression ou de vibrations...

La disponibilité, pour Phyapp, de toutes ces ressources complémentaires, est la garantie de prestations globales et cohérentes gérées par un unique fédérateur de compétences.

Une intervention de caractérisation en microélectronique peut participer à plusieurs types de prestations.

Les exemples détaillés ci-dessous sont relatifs à des prestations précédemment effectuées, en cours d'évaluation ou typiques :

 

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Courant-tension (I-V)

Prestations Commentaires

Caractérisation électrique statique : courant-tension (I-V) :

Mesures des caractéristiques de transfert : courant de drain, courant de grille, courant de substrat en fonction des polarisations de grille, de drain et de substrat.

 Extraction des principaux paramètres électriques et technologiques : tension de seuil, mobilité de porteurs, pente sous le seuil, courants de fuite, résistances d'accès, dopage, densité d'états...

 Influence du type d'architecture des dispositifs (ingénierie source-drain, optimisation du canal, zones LDD…).

 Impact de la miniaturisation des composants (effets de canaux courts, canaux étroits, épaisseur mince des oxydes...).

Établissement des modèles analytiques.

Traceur de caractéristiques : HP4155
Source de courant : HP4156,
Système de caractérisation : Keithley K4200.
Station sous pointes faradisée
-100V à +100V
10fA à 100mA
Qualification/diagnostic des dispositifs microélectroniques en vue de leur optimisation.
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Capacité-tension (C-V), conductance-tension (G-V)

Prestations Commentaires

Caractérisation C(V) – G(V) en fonction de la fréquence (C-V G-V) :

Mesures de caractéristiques capacité – tension et conductance – tension des structures MOS sur capacité ou transistor

 Extraction des paramètres : épaisseurs du diélectrique de grille, tension de bande plate, dopage du substrat, densité d'états d'interface, section efficace des pièges

 Sur transistor, Mesures des capacités grille-canal Cgc, grille-substrat Cgb par méthode « split » en vue d'extraction de la mobilité des transistors et des capacités de recouvrement

 Mesures d'impédances par rampes quasi statiques (simulation de très basse fréquence)

Impédancemètre (LCR meter) : HP4284
Source de tension / picoampèremètre : HP4140
Bancs de mesures sous pointes ou sous boîtiers.
-5V à +5V
10pF à 10μF
100Hz à 100kHz
Quasi statique : équivalent 1Hz
Qualification/diagnostic des dispositifs microélectroniques, évolutions en fonction de la fréquence.
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Pompage de charge (CP)

Prestations Commentaires

Caractérisation d'états d'interface par pompage de charge (CP) :

Diagnostic des états d'interface dans les transistors MOS, caractérisation des processus non linéaires de pompage de charge.

Mesures des états d'interface des structures MOS (transistors ou capacité avec anneau de porteurs minoritaires) par mesure du courant de recombinaison dans le substrat selon les procédures dites d'Elliot ou de Groeseneken.

Établissement de profil en énergie des états dans le gap du silicium par variation du temps de montée/descente de l'impulsion de grille.

Courant de recombinaison mesuré par Keithley 328 ou HP4155.
Banc de mesures sous pointes ou sous boîtiers
Tension d'impulsion de grille : -5V/+5V
Fréquence : 10Hz à 1MHz
Densité de défauts : 109·cm-2
Une mise en œuvre offrant une résolution de densité de défauts 10 fois meilleure qu'à l'accoutumée : le ppm.
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Fiabillité, défaillance

Prestations Commentaires

Analyse de défaillance par microscopie à émission de photons (PEM) :

Diagnostic de fiabilité des composants de puissance, localisation/dimensionnement des zones de claquage.

Mesures de l'intensité lumineuse par caméra CCD avec comptage du nombre de photons émis d'un composant sous polarisation.

Applications à la détection de défaillances des circuits ou des composants par localisation des régions de fort courant.


Station sous pointes en chambre noire
Caméra CCD ultra sensible
Énergie des photons : 1 à 2eV
Résolution de comptage : jusqu'à 10 photons
La taille en permanente diminution des composants électroniques et leur complexité croissante imposent de nouveaux défis en matière de détection de défauts. La PEM est un outil incontournable pour les professionnels de l'analyse de défaillance.

Analyse expérimentale de fiabilité des composants :

Expertise des mécanismes de défaillance.

Vieillissement en fonction des polarisations appliquées, du temps...

Modifications de cahiers des charges induites par les évolutions des paramètres électriques.

Extraction de densités de défauts.

Estimation de la durée de vie des composants

Mesures automatiques et manuelles

Différentes techniques de qualification peuvent être utilisées : I-V, Gate Induced Drain Leakage (GIDL), bruit basse fréquence, fonctionnement à basse et haute températures, émission de photons, mesures transitoires…
Monitorer les dispositifs en termes de fiabilité, suivre l'évolution des paramètres électriques sous contraintes thermiques et vieillissement accéléré, évaluer leur durée de vie...
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Bruit BF

Prestations Commentaires

Caractérisation de bruit basse fréquence et fluctuations électriques :

Diagnostic de qualité des technologies : homogénéité - défauts, identification des origines physiques de bruits.

Types de bruit : bruit blanc, bruit 1/f, bruit RTS, bruit de génération-recombinaison...

Identification de sources de bruit.

Dépendance du bruit avec les différentes polarisations.

Évaluation de la limite des applications.

Influence de l'architecture des composants.

Impact de la miniaturisation ("scaling down").

Extraction de densités des défauts, des densités spectrales de puissance de courant et de tension.

Qualification des technologies.

Banc automatique d'analyse de spectre HP BTA
Banc Synergie Concept 3PNMS
Fréquences : 0.5Hz à 100kHz
Courants : 1nA à 10mA
Le bruit électrique est un problème croissant en microélectronique : le rapport signal à bruit ("S/N") diminue avec la réduction des dimensions. Les circuits numériques comme les circuits analogiques sont de plus en plus affectés. De nouvelles méthodes sont nécessaires pour minimiser le bruit et diminuer la sensibilité de ces circuits et, surtout, discriminer le réel de l'artéfact...
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Propriétés de transport

Prestations Commentaires

Mesures des propriétés de transport :

Qualification de la conductivité en termes de densité de porteurs et de mobilité.

Mesures des effets de transport sous champ magnétique : effet Hall.

Extraction de la mobilité des porteurs et de leur concentration en fonction de la température ou de la polarisation de grille (MOSFET)

Détermination du niveau de dopage et des densités de défauts de transport.

Champ magnétique : 0,6T
Température : 20K à 300K
Dopage : 1014 à 1020·cm-3
Mesurages sur matériaux ("barres de Hall"), sur composants encapsulés ou sur puces, après conditionnement ("bonding") sur substrats alumine
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Matériaux

Prestations Commentaires

Caractérisation de matériaux :

Qualification des matériaux sur substrats isolants.

Évaluation de la pureté du matériau utilisé (substrat de silicium, interfaces Si-SiO2 , oxydes enterrés…)

Paramètres recherchés :  mobilité des électrons et des trous, densité de pièges d'interface, charges mobiles et fixes dans l'oxyde, durée de vie de porteurs...

Étude des effets de traitement chimique (nettoyage des plaquettes, oxydation sacrificielle, effets de stress dans les couches formant les substrats…)

Méthode pseudo-MOS : caractérisation de la fonction transistor MOS sur matériaux nus (non gravés).
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